Неметали та їх сполуки

Серед сульфатів велике практичне значення мають міц­ний і залізний купороси СuSО4 • 5Н2О і FеSO4 • 7H2O. Вони використовуються в сільському господарстві для боротьби із шкідниками рослин, у виробництві фарб, для просочення деревини як антисептичний засіб.

Купороси — технічна назва кристалогідратів сульфатів деяких важких металів (міді, заліза, цинку, нікелю), тобто це солі, кристали яких містять кристалізаційну воду.

Гіпс СаSO4 • 2Н2О і сульфат кальцію СаSO4 використо­вують у будівництві, медицині та інших галузях.

Сульфат натрію Nа2SО4, застосовують у виробництві скла. Він входить до складу природного мінералу Nа2SО4•10H2O глауберової солі, яка використовується в медицині як проносний засіб.

Сульфати калію К2SO4 і амонію (NH4)2SO4, використо­вують як добрива.

Сульфат барію ВаSO4 застосовують у виробництві папе­ру, гуми та білої мінеральної фарби, а також у медицині для рентгеноскопії шлунку («Барієва каша»).

§7. Виробництво сульфатної кислоти.

Найбільш сучасний спосіб добування сульфатної кислоти у промисловості - це кнтактний. Як сировина використовується пірит FeS2 (залізий, сірчаний, колчедан).

Перша стадія процесу — випалювання колчедану і добу­вання діоксиду сульфуру:

4FеS2 + 11O2 = 2Fе2О3 + 8SO2­ ; ΔH = -13 476 кДж.

Цей процес відбувається у колчеданних печах, з яких виходить випалювальний газ. Він містить, окрім діоксиду сульфуру SO2, ще кисень, азот, водяну пару та інші доміш­ки. Його очищають, висушують і подають на другу стадію виробництва у контактний апарат.

Друга стадія—окиснення діоксиду сульфуру і добуван­ня триоксиду сульфуру:

V2O5

2SO2 + O2 2SO3, ΔH = -197,9 кДж.

Окиснення відбувається в контактному апараті за наяв­ності каталізатора і високої температури.

Але ви можете запитати, навіщо тут висока температура, якщо реакція екзотермічна. Адже ми знаємо, що згідно з принципом Ле Шательє зміщенню рівноваги у бік утворен­ня SO3 сприятимуть низька температура і високий тиск.

Це справедливо, але річ у тім, що високий тиск застосу­вати майже неможливо, бо SO3 одразу перейде у рідкий стан. І низькі температури використати не можна, бо швидкість реакції буде надто малою. Тому й застосовують каталізатор V2O5, щоб пришвидшити процес, а каталізатор сам стає активним лише при 450 °С. Ось чому, незважаючи на екзотермічність реакції, використовують ще додаткове нагрівання. Теплоту, яка виділяється під час реакції, відво­дять і використовують для нагрівання випалювального газу, який встигає охолонути, проходячи складну систему очис­них споруд перед надходженням у контактний апарат (див. схему виробництва сульфатної кислоти на вклейці).

Отже, процес окиснення SO2 в SO3 здійснюється склад­но, бо ця реакція оборотна й екзотермічна. Умови її здій­снення визначаються в основному згідно з принципом Ле Шательє.

Третя стадія виробництва—поглинання триоксиду сульфуру й утворення сульфатної кислоти Н2SO4.

Добутий у контактному апараті триоксид сульфуру SO3 надходить у поглинальну башту — абсорбер[6], де поглинаєть­ся концентрованою сульфатною кислотою (масова частка Н2SO4 96—98 %). В абсорбері SO3 взаємодіє з водою, що міститься у концентрованому розчині сульфатної кислоти, утворюючи безводну,

100 %-ву сульфатну кислоту, яка на­зивається моногідратом:

SO3 + Н2О = Н2SO4; ΔH = -130,6 кДж

Чистою водою поглинати триоксид сульфуру SO3 не можна, оскільки утворюється дуже стійкий «туман» з дріб­них крапель сульфатної кислоти, який погано конденсує­ться.

Кінцевий продукт виробництва—олеум (розчин SO3 у моногідраті). Його розбавляють водою до сульфатної кисло­ти потрібної концентрації.

Охорона праці та навколишнього середовища у виробниц­тві сульфатної кислоти. Захист біосфери від забруднення викидами хімічних виробництв — найважливіша проблема сучасності. У виробництві сульфатної кислоти можуть бути втрати якоїсь кількості діоксиду SO2 і триоксиду сульфуру SO3 та викидання їх в атмосферу, що спричинює кислотні дощі. Вони сприяють підвищенню кислотності ґрунтів і зниженню врожаїв, збільшенню кислотності водойм і заги­белі його мешканців. Кислотні дощі спричинюють корозію металів, руйнують лакофарбові покриття. Під їх згубною дією руйнуються будівельні матеріали, пам'ятники архітек­тури.

Щоб запобігти утворенню кислотних дощів і забезпечити охорону здоров'я працівників, намагаються не допускати викидання оксиду сульфуру (IV) SO2 в атмосферу і в цехи заводу. З цією метою своєчасно ремонтують апаратуру,

встановлюють фільтри, поглиначі, вентиляцію, суворо до­держують технологічного режиму, використовують засоби індивідуального захисту працівників, удосконалюють й ав­томатизують виробничі процеси, герметизують устаткування та апаратуру, впроваджують принцип безвідхідності та ефек­тивні методи очищення відхідних газів. З них тепер влов­люють SO2 і знову повертають його у виробництво. Застосо­вують також методи добування цінних побічних продуктів з промислових відходів.

Над проблемою повної утилізації[7] та переробки відходів виробництва сульфатної кислоти нині працюють інженери і техніки. Адже реалізація принципу безвідхідності дає змогу не тільки істотно збільшувати вихід кислоти, пщвищувати ефективність виробництва, а й охороняти здоров'я людей і зберігати чистоту навколишнього середовища.

8. РОЗВ'ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧ НА ВИХІД ПРОДУКТУ

Ви розумієте, що в основі виробництва сульфатної кис­лоти (так само і будь-якого іншого хіміко-технологічного процесу) лежить хімічне перетворення речовин —хімічні реакції. Їхню суть виражають хімічними рівняннями, що складаються на основі закону збереження маси речовин.

Знання закону збереження маси дає змогу не тільки складати рівняння реакцій, а й проводити за ними різні розрахунки, у тому числі обчислювати вихід продукту ви­робництва.

Вихід продукту—важливий показник ефективності ви­робничого процесу. На його підставі роблять висновок про повноту використання сировини тощо. Річ у тім, що в реальних виробничих умовах через оборотність багатьох реакцій і виробничі втрати вихід продукту реакції завжди менший від того, який мав би утворитись згідно з рівнян­ням реакції (на підставі закону збереження маси). Отже, практичний вихід продукту завжди менший за теоретичний.

Вихід продукту — це відношення фактично добутого продукту до максимально можливого, обчисле-ного за рівнянням реакції.

Вихід продукту виражають у частках одиниці або у відсотках. Зверніть увагу, що для розв'язування задач на вихід продукту зовсім не має значення, як його обчислюва­ти: за відношенням мас, об'ємів чи кількості речовини. В усіх цих випадках буде знайдено те саме значення шуканої величини.

Розглянемо конкретні приклади.

Задача 1. З 320 т сірчаного колчедану, масова частка Сульфуру в якому 45 %, добуто сульфатну кислоту масою 405 т (у перерахунку на безводну). Обчислити вихвд суль­фатної кислоти.

Дано: m (FeS2) =320 т

w (S) = 45%=0,45